BLDC电动机本体设计及控制原理(详细版)

1、1稀土永磁无刷直流电动机Rare Earth Permanent Magnet Brushless DC Motor ( BLDCM )湖北工业大学稀土电机及控制研究所湖北工业大学稀土电机及控制研究所2稀土永磁无刷直流电动机 Rare Earth Permanent Magnet Brushless DC Motor， BLDCM 一、无刷电机概述 二、无刷电机原理与特性 三、无刷电机控制 四、无刷电机转矩脉动 五、无刷电机电磁设计 3稀土永磁无刷直流电动机 一、无刷电机概述Rare Earth Permanent Magnet Brushless DC Motor，BLDCM4无刷直流电动机

2、概述1. 无刷直流电动机的应用2. 无刷直流电动机发展历史3. 无刷与有刷直流电动机比较4. 无刷直流电动机的特点5. 无刷直流电动机系统组成5无刷直流电动机概述1. 无刷直流电动机的应用6计算机中的无刷电机7计算机中的无刷电机8电动自行车中的无刷电机9家用电器中的无刷电机10本田 HEV INSIGHT11丰田混合电动汽车开发历程12本田 Insight 发动机和无刷电机13并联式混合动力系统14本田CIVIC的动力分配策略15电动汽车中的无刷电机电机及控制器电机及控制器16电动汽车中的无刷电机永磁体永磁体永磁体永磁体外转子结构的无刷电动机外转子结构的无刷电动机 17外转子混合励磁无刷电机軸

3、軸內定子鐵心內定子鐵心外外轉子鐵心轉子鐵心永磁極永磁極鐵極鐵極勵磁繞組勵磁繞組18电动汽车中的无刷电机 电机、控制器和减速箱一体化结构电机、控制器和减速箱一体化结构控制器控制器电电 机机减速齿轮减速齿轮192. 无刷直流电动机 发展历史无刷直流电动机概述20无刷直流电动机发展历史 有刷直流电动机 有刷直流电动机具有良好的起动和有刷直流电动机具有良好的起动和调速性能，但其存在换向器和电刷，导调速性能，但其存在换向器和电刷，导致换向火花、电磁干扰、可靠性差、造致换向火花、电磁干扰、可靠性差、造价高等一系列问题。价高等一系列问题。21无刷直流电动机发展历史 异步电动机 异步电动机结构简单、运行异步电

4、动机结构简单、运行可靠、价格便宜，但其调速和起可靠、价格便宜，但其调速和起动性能不佳。动性能不佳。22无刷直流电动机发展历史 同步电动机 同步电动机具有良好的运行同步电动机具有良好的运行性能，但其起动性能不佳。性能，但其起动性能不佳。23无刷直流电动机发展历史 上世纪三十年代，有人提出了用上世纪三十年代，有人提出了用电子换相取代机械换向的无刷直流电电子换相取代机械换向的无刷直流电动机概念，但当时尚无理想的电子换动机概念，但当时尚无理想的电子换相器件。相器件。24无刷直流电动机发展历史 1955 年，美国年，美国 D. 哈利森等人首次哈利森等人首次发明了应用晶体管代替机械换向器的无发明了应用晶体

5、管代替机械换向器的无刷直流电动机，但当时没有电机转子位刷直流电动机，但当时没有电机转子位置检测器件，该电机没有起动能力。置检测器件，该电机没有起动能力。25 1962年，人们使用霍尔元件来检测年，人们使用霍尔元件来检测转子位置并控制绕组电流换相，无刷直转子位置并控制绕组电流换相，无刷直流电动机达到实用化，但受到晶体管容流电动机达到实用化，但受到晶体管容量的限制，电机容量相对较小。量的限制，电机容量相对较小。无刷直流电动机发展历史26无刷直流电动机发展历史 三大技术有力推动了永磁无刷直流电动机的快速发展 功率半导体器件功率半导体器件 计算机控制技术计算机控制技术 高性能稀土永磁材料高性能稀土永磁

6、材料27无刷直流电动机发展历史 70 年代以来，随着新型功率半导体器件（如年代以来，随着新型功率半导体器件（如GTR，MOSFET，IGBT，IPM）相继出现，计算机）相继出现，计算机控制技术（单片机、控制技术（单片机、DSP，新的控制理论）的快速，新的控制理论）的快速发展，以及高性能稀土永磁材料（如发展，以及高性能稀土永磁材料（如 钐钴、钕铁硼）钐钴、钕铁硼）的问世，无刷直流电动机得到快速发展，容量不断的问世，无刷直流电动机得到快速发展，容量不断增大，并获得了越来越广泛的应用。增大，并获得了越来越广泛的应用。28无刷直流电动机概述3. 无刷直流电动机 的特点29无刷直流电动机分类 无刷直流电

7、动机分为无刷直流电动机分为方波方波和和正弦波正弦波电流驱动。电流驱动。正弦波电流驱动的无刷电动机名称比较多，英、正弦波电流驱动的无刷电动机名称比较多，英、美称为永磁同步电动机（美称为永磁同步电动机（PMSM），或无刷交流），或无刷交流电动机（电动机（BLACM），日本、欧洲一些国家则称），日本、欧洲一些国家则称之为交流伺服电动机（之为交流伺服电动机（AC Servo）” 。30无刷直流电动机分类电动机交流电动机直流电动机异步电动机同步电动机无刷直流永磁同步磁滞步进磁阻混合永磁变磁阻单相多相永磁电励磁永磁开关磁阻同步磁阻换向式单极式永磁电励磁串励并励复励多相单相笼型绕线电容式罩极式电阻式电容起动

8、电容运行电容运行31无刷直流电动机分类电动机交流电动机直流电动机异步电动机同步电动机无刷直流永磁同步磁滞步进磁阻混合永磁变磁阻单相多相永磁电励磁永磁开关磁阻同步磁阻换向式单极式永磁电励磁串励并励复励多相单相有刷直流32有刷直流电动机的基本结构 BearingRotor windingCommutator Fan PM Poles Brushes33有刷直流电动机的基本结构稀土永磁有刷直流电动机稀土永磁有刷直流电动机NS转枢式34 内转子，外定子内转子，外定子 外转子，内定子外转子，内定子无刷直流电动机基本结构XCYANBZNSAXBYCZSN转场式35稀土永磁直流电动机结构比较内转子整数槽无刷

9、直流电动机内转子整数槽无刷直流电动机13618q36稀土永磁直流电动机结构比较内转子分数槽无刷直流电动机内转子分数槽无刷直流电动机21369q37稀土永磁直流电动机结构比较外转子结构稀土永磁无刷直流电动机外转子结构稀土永磁无刷直流电动机10333027q38无刷直流电动机定义 无刷直流电动机 无刷直流电动机是指没有电刷等无刷直流电动机是指没有电刷等机械换向装置，但具有有刷直流电动机械换向装置，但具有有刷直流电动机（机（DCM）特性特性的电动机。的电动机。39无刷与有刷直流电动机比较 无刷直流电动机与有刷直无刷直流电动机与有刷直流电动机有相同的运行机理。流电动机有相同的运行机理。40无刷与有刷直

10、流电动机比较 无刷直流电动机与有刷直无刷直流电动机与有刷直流电动机有相同的设计思想和流电动机有相同的设计思想和设计方法。设计方法。41无刷与有刷直流电动机比较 有刷直流电动机磁极磁有刷直流电动机磁极磁场与电枢磁场始终处于正交场与电枢磁场始终处于正交状态。状态。42无刷与有刷直流电动机比较NSnFfFa43无刷与有刷直流电动机比较 无刷直流电动机磁极磁场与电枢磁无刷直流电动机磁极磁场与电枢磁场处在某一变化范围内。如三相无刷直场处在某一变化范围内。如三相无刷直流电动机流电动机 60 120范围内变化。范围内变化。44无刷与有刷直流电动机比较 相同条件下，相同条件下，无刷直流电无刷直流电动机转矩脉动

11、比有刷直流电动动机转矩脉动比有刷直流电动机大，电磁转矩小。机大，电磁转矩小。45无刷与有刷直流电动机比较 BLDCM 用电子换相取代用电子换相取代 DCM 的机械换向，因而没有电的机械换向，因而没有电刷与换向器。刷与换向器。 46无刷与有刷直流电动机比较 通常情况下，通常情况下，BLDCM 的电的电枢绕组在定子上，励磁（永磁体）枢绕组在定子上，励磁（永磁体）在转子上，与在转子上，与 DCM 中的定转子互中的定转子互换了位置。换了位置。47无刷与有刷直流电动机比较 通常通常 BLDCM 带有转子位置检带有转子位置检测传感器，而测传感器，而 DCM 则不需这种位则不需这种位置检测装置。置检测装置。

12、48无刷直流电动机概述4. 无刷直流电动机 的特点49无刷直流电动机主要特点 永磁无刷结构 电机免维护，可高速运行，因此电机免维护，可高速运行，因此可降低电机体积和重量，具有高功率可降低电机体积和重量，具有高功率和转矩密度和高效率和转矩密度和高效率。50无刷直流电动机主要特点 容易实现转矩控制 无刷直流电机的电磁转矩无刷直流电机的电磁转矩 Tem= KT Ff Fa sin 无刷直流电动机具有与直流电动机无刷直流电动机具有与直流电动机 相似的转矩特性相似的转矩特性。51无刷直流电动机主要特点dtdnGDTTLem3752TemTLn电力拖动系统转动方程52无刷直流电动机主要特点异步电动机的电磁

13、转矩 Tem=CTIa cos 一般情况下，一般情况下，Ff 、Fa非正交，非正交，即即 、 Ia 之间存在耦合关系。之间存在耦合关系。53无刷直流电动机主要特点 直流电动机电磁转矩 Tem= CT Ia = CT Ff Fa54无刷直流电动机主要特点 无刷直流电动机电磁转矩 Tem= KT Ff Fa sin 一般情况下一般情况下,为为90（或平均值为（或平均值为90），），调节永磁无刷直流电动机电枢电流（电压）调节永磁无刷直流电动机电枢电流（电压）便可实现对转矩的控制。便可实现对转矩的控制。55无刷直流电动机主要特点 系统成本相对较低 逆变器方波电流容易实现，控制器结逆变器方波电流容易实现

14、，控制器结构较简单；电机可采用整距集中绕组，制构较简单；电机可采用整距集中绕组，制造工艺较简单；转子位置传感器结构简单，造工艺较简单；转子位置传感器结构简单，成本低。成本低。5690年代以来永磁材料发展状况永磁材料的磁能积永磁材料的磁能积钕铁硼钐 钴铁氧体57稀土永磁无刷直流电动机特点 可明显降低电机重量，减小其体积；可明显降低电机重量，减小其体积； 缩短转子外径，增加气隙长度，进缩短转子外径，增加气隙长度，进 而改善了电机的有关性能；而改善了电机的有关性能； 产生近似矩形波的气隙磁场，可设产生近似矩形波的气隙磁场，可设 计成方波无刷直流电动机；计成方波无刷直流电动机；58稀土永磁无刷直流电动

15、机特点 抗电枢反应去磁能力强，更适合抗电枢反应去磁能力强，更适合 突然反转、堵转等运行工况；突然反转、堵转等运行工况； 退磁曲线线性、可逆，简化了设退磁曲线线性、可逆，简化了设 计和分析。计和分析。595. 无刷直流电动机 系统组成无刷直流电动机概述60无刷直流电动机系统组成 无刷直流电动机系统组成 1） 控制器控制器 2） 电机本体电机本体 3） 霍尔位置传感器霍尔位置传感器61无刷直流电动机系统组成直流电源直流电源控制器控制器电动机电动机转子位置传感器转子位置传感器输出输出无刷直流电动机系统框图无刷直流电动机系统框图62无刷直流电动机系统组成V1V6ACB控制电路驱动电路电 机霍尔位置传感

16、器控制器ACB136425S逆变电路三相永磁无刷直流电动机系统图三相永磁无刷直流电动机系统图63无刷直流电动机系统组成车速保护电路MOS驱动器IR2130扭矩BLDCM过流保护6路MOSFETTMS320LF2407电流采样输出电流CAP捕获位置信号过 压离合器故障位置信号故障代码输出PDPINTCAP SCI6路PWM转速某稀土永磁无刷直流电动机系统框图某稀土永磁无刷直流电动机系统框图64无刷直流电动机系统组成1） 控制器65无刷直流电动机控制器控制器的组成 开关主电路开关主电路 驱动电路驱动电路 控制电路控制电路66无刷直流电动机控制器136425 滤波电路滤波电路 缓冲电路缓冲电路 逆变

17、电路逆变电路接整流桥接整流桥D7C3R3无刷直流电动机开关主电路无刷直流电动机开关主电路67无刷直流电动机控制器 缓冲电路作用 减少开关管承受的尖峰电压，使开关管减少开关管承受的尖峰电压，使开关管 工作在安全区域内，提高主电路的可靠性。工作在安全区域内，提高主电路的可靠性。 C3：选用高频性能好的无感电容选用高频性能好的无感电容 D7：选用快速恢复二极管选用快速恢复二极管 或选用整体缓冲电路。或选用整体缓冲电路。68无刷直流电动机控制器 逆变电路 分立功率器件：功率晶体管分立功率器件：功率晶体管GTR 、功率功率 场效应管场效应管 MOSFET、绝缘栅晶体管绝缘栅晶体管 IGBT、可关断晶闸管

18、可关断晶闸管GTO、MCT 功率集成电路：功率开关管集成块、智能功率集成电路：功率开关管集成块、智能 化功率模块化功率模块 IPM 69无刷直流电动机控制器 驱动电路作用 将控制电路的输出信号进行功率放大，将控制电路的输出信号进行功率放大，并向各功率开关管送去能使其饱和导通和并向各功率开关管送去能使其饱和导通和可靠关断的驱动信号。可靠关断的驱动信号。 70无刷直流电动机控制器 驱动电路 美国美国IR公司生产的六路集成驱动芯片公司生产的六路集成驱动芯片（如（如 IR2130），具有集成度高、速度快、），具有集成度高、速度快、 过流欠压保护、过流欠压保护、 开关频率高、开关频率高、 价格便宜、价格

19、便宜、调试方便等优点。调试方便等优点。 71无刷直流电动机控制器无刷直流电动机无刷直流电动机微机控制系统微机控制系统ucupBLDCMRh驱动电路AD电流检测三角波发生器PWM发生器电流调节器转速调节器位置信号处理逻辑控制单元运行状态判断反馈电流综合速度反馈单元PS*nunu*iuiuru72无刷直流电动机控制器 控制电路的作用控制电路的作用（1） 对转子霍尔位置传感器输出的信号、对转子霍尔位置传感器输出的信号、 PWM 调制信号、正反转和制动信号调制信号、正反转和制动信号 进行逻辑综合，给驱动电路提供相应进行逻辑综合，给驱动电路提供相应 的导通和关断信号；的导通和关断信号； 73无刷直流电动

20、机控制器 控制电路作用控制电路作用（2） 产生产生PWM调制信号，使电机电压随给调制信号，使电机电压随给 定转速信号的变化而变化；定转速信号的变化而变化； 对电机进行速度环和电流环的调节；对电机进行速度环和电流环的调节； 实现短路、过流和欠压等故障保护功能。实现短路、过流和欠压等故障保护功能。74无刷直流电动机控制器控制电路形式 分立元件全模拟电路：目前少用分立元件全模拟电路：目前少用 专用集成控制电路：功能特定专用集成控制电路：功能特定 数模混合控制电路：广泛采用数模混合控制电路：广泛采用 全数字控制电路：发展方向全数字控制电路：发展方向75无刷直流电动机系统组成2） 电机本体76无刷直流电

21、动机电机本体电机本体构成 永磁转子 定子绕组77无刷直流电动机电机本体 永磁转子78无刷直流电动机永磁转子径向式径向式 切向式切向式永磁体充磁方向永磁体充磁方向SNNSSSSNN隔磁套隔磁套NNSNNSS隔磁间隙隔磁间隙轴轴79无刷直流电动机永磁转子稀土磁钢主磁极稀土磁钢主磁极实心转子铁心实心转子铁心轴NSNSSNNS等厚磁极的转子结构等厚磁极的转子结构80无刷直流电动机永磁转子 切向无间隔等厚磁极的转子结构切向无间隔等厚磁极的转子结构轴NSNSSNNS81无刷直流电动机永磁转子轴NSNSNNSS等径磁极的转子结构等径磁极的转子结构82无刷直流电动机永磁转子BNSNSB00径向式径向式 切向式

22、切向式稀土永磁磁极永磁电机气隙磁密波形永磁电机气隙磁密波形83无刷直流电动机空载磁场84无刷直流电动机空载磁场85无刷直流电动机空载磁场86无刷直流电动机空载磁场87无刷直流电动机空载磁场88无刷直流电动机空载磁场89无刷直流电动机空载磁场90无刷直流电动机永磁转子六极永磁无刷直流电动空载磁场六极永磁无刷直流电动空载磁场91增磁时的CPPM无刷电机 92无刷直流电动机永磁转子0BcFF0AB123r 1 1空载特性空载特性曲线曲线 2 2负载特性曲线负载特性曲线 3 3永磁体退磁曲线永磁体退磁曲线空载工作点空载工作点负载工作点负载工作点磁钢的空载和负载工作点磁钢的空载和负载工作点93无刷直流电

23、动机永磁转子磁钢的低温和高温工作点磁钢的低温和高温工作点ABrcFF0AB123rcF 1 1负载特性负载特性曲线曲线 2 2永磁体低温退磁曲线永磁体低温退磁曲线 3 3永磁体高温退磁曲线永磁体高温退磁曲线低消耗温工作点低消耗温工作点高温工作点高温工作点94 定子绕组无刷直流电动机电机本体95无刷直流电动机绕组型式 整数槽分布绕组（q整数） 分数槽分布绕组（q分数） 变压器式绕组（螺线管式绕组）96无刷直流电动机整数槽绕组 某三相无刷直流电动机，某三相无刷直流电动机， 定子槽数定子槽数 Z12，极数，极数2P4， q 12/431。97无刷直流电动机整数槽绕组A1,72,84,103,96,1

24、25,11YZBXC601 槽电动势星形图槽电动势星形图顺接线圈顺接线圈反接线圈反接线圈A 相相1, 74, 10B 相相3, 96, 12C 相相5, 112, 8三相分相结果（q =1）98无刷直流电动机整数槽绕组单层整距分布绕组展开图单层整距分布绕组展开图 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12A B C X Y ZNSNS99无刷直流电动机整数槽绕组A 相双层短距分布绕组展开图相双层短距分布绕组展开图NSNS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12NAX 100 某三相无刷直流电机，定子某三相无刷直流电机，定子槽数槽数 Z15，极数，极数 2P4， q 15

25、/4354。无刷直流电动机分数槽绕组101无刷直流电动机分数槽绕组Z=12，2P4，q=1 Z15，2P4，q=5/4齿、极对齐，两者相吸齿、极对齐，两者相吸 齿、极错开，产生磁阻转矩齿、极错开，产生磁阻转矩整数槽分数槽102无刷直流电动机分数槽绕组 某三相无刷直流电机，定子某三相无刷直流电机，定子槽数槽数 Z18，极数，极数 2P4， q 18/4332。103无刷直流电动机分数槽绕组192103114125136147158 401161718顺接线圈顺接线圈反接线圈反接线圈A 相相1, 105, 6, 14,15B 相相4, 138, 9, 17,18C 相相7, 162, 3, 11,

26、12三相分相结果（q=3/2）ABCXYZ104无刷直流电动机分数槽绕组1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18NSNSNAXA 相绕组展开图相绕组展开图 ( a = 2 )105无刷直流电动机分数槽绕组4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 2 3NSNSNBYB 相绕组展开图相绕组展开图 ( a = 2 )106无刷直流电动机分数槽绕组7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 2 3 4 5 6NSNSNCZC 相绕组展开图相绕组展开图 ( a = 2 )107无刷直流电动

27、机分数槽绕组 某三相无刷直流电机，定子某三相无刷直流电机，定子槽数槽数 Z15，极数，极数 2P4， q 15/4354。108无刷直流电动机分数槽绕组192103114125136147158 481AYBCZX顺接线圈顺接线圈反接线圈反接线圈A 相1, 2, 95, 13B 相4, 11, 128, 15C 相3, 106, 7, 14三相分相结果（q = 5/4）槽电动势星形图槽电动势星形图109无刷直流电动机分数槽绕组ANSNS1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15A 相绕组展开图相绕组展开图X顺接组线圈: 1, 2, 9反接组线圈: 5, 13110无

28、刷直流电动机分数槽绕组BYNSNS1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15B 相绕组展开图相绕组展开图顺接组线圈: 4, 11, 12反接组线圈: 8, 15111无刷直流电动机分数槽绕组NSNS1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15C 相绕组展开图相绕组展开图顺接组线圈: 3, 10反接组线圈: 6, 7, 14CZ112无刷直流电动机分数槽绕组NSNS1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15C 相绕组端部的另一接法相绕组端部的另一接法CZ113无刷直流电动机分数槽绕组 某三相无刷直流电机，定子某三相

29、无刷直流电机，定子槽数槽数 Z27，极数，极数 2P6， q 27/6332。114无刷直流电动机分数槽绕组1,10,192,11,203,12,2122,13,423,14,524,15,625,16,78,17,269,18,27AXBYZC顺接线圈顺接线圈反接线圈反接线圈A相相1,10,195,14,236,15,24B相相4,13,228,17,269,18,27C相相7,16,252,11,203,12,21三相分相结果（q=3/2）槽电动势星形图槽电动势星形图 401115无刷直流电动机分数槽绕组1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 1

30、8 19 20 21 22 23 24 25 26 27NSNSNSAX116无刷直流电动机分数槽绕组 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 1 2 3NSNSNSBY117无刷直流电动机分数槽绕组7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 1 2 3 4 5 6SNSNSNCZ118无刷直流电动机分数槽绕组 某三相无刷直流电机，定子某三相无刷直流电机，定子槽数槽数 Z36，极数，极数 2P8， q 36/8332。119无刷

31、直流电动机分数槽绕组1,10,192,11,203,12,2122,13,423,14,524,15,625,16,78,17,269,18,27AXBYZC顺接线圈顺接线圈反接线圈反接线圈A相相1,10,19,285,6,14,15,23,24,32,33B相相4,13,22,318,9,17,18,26,27,35,36C相相7,16,25,342,3,11,12,20,21,29,30三相分相结果（q=3/2）槽电动势星形图槽电动势星形图 401120无刷直流电动机变压器式绕组六槽永磁无刷直流电动机实物照片六槽永磁无刷直流电动机实物照片121无刷直流电动机变压器式绕组I、 槽数 Z3，极

32、数 2P2；II、 槽数 Z6，极数 2P4；III、槽数 Z9，极数 2P6；122无刷直流电动机变压器式绕组AXCZBY轴槽数槽数 Z3，极数，极数 2P2CBAXYZI123无刷直流电动机变压器式绕组轴轴A1X1X2A2Y1B1Z1C1B2Y2C2Z2II槽数槽数 Z6，极数，极数 2P4124无刷直流电动机变压器式绕组1,4,72,5,83,6,9ABC槽电动势星形图槽电动势星形图线圈号线圈号A 相相1, 4, 7B 相相2, 5, 8C 相相3, 6, 9三相分相结果（q=0.5）III125无刷直流电动机变压器式绕组 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A 相集中式绕组展开图（相集

33、中式绕组展开图（a = 3）AXSNNSNS126无刷直流电动机变压器式绕组B 相集中式绕组展开图（相集中式绕组展开图（a=3）2 3 4 5 6 7 8 9 1BYSNNSNS127无刷直流电动机变压器式绕组C 相集中式绕组展开图（相集中式绕组展开图（a =3） 3 4 5 6 7 8 9 1 2CZSNNSNS128无刷直流电动机系统组成3） 霍尔位置传感器129无刷直流电动机霍尔位置传感器 霍尔效应 1879年美国霍普金斯大学霍尔（年美国霍普金斯大学霍尔（ E.H.Hall）发发现，磁场中的导线有电流通过时，其横向不仅受到现，磁场中的导线有电流通过时，其横向不仅受到力的作用，同时还出现电

34、压。力的作用，同时还出现电压。 随后，人们又发现，不仅导体，而且半导体也随后，人们又发现，不仅导体，而且半导体也存在霍尔效应，而且更明显。存在霍尔效应，而且更明显。130无刷直流电动机霍尔位置传感器控制电流控制电流 IH霍尔电动势霍尔电动势E磁感应强度磁感应强度BBIKEHH霍尔电动势：霍尔电动势：131无刷直流电动机霍尔位置传感器霍尔集成电路霍尔集成电路 -0.025 0 0.025 B / T运算放大器功率放大霍尔元件霍尔元件U0UccGND01234U0 /V开关型霍尔集成开关型霍尔集成电路特性曲线电路特性曲线132 霍尔位置传感器安装 霍尔定子安装霍尔定子安装 三个霍尔元件安装在三个霍

35、尔元件安装在无刷电机的定子方，空间上彼此相差无刷电机的定子方，空间上彼此相差 120电角度电角度 分别与无刷电机定子三相绕组首端分别与无刷电机定子三相绕组首端所在槽中心线对齐。所在槽中心线对齐。无刷直流电动机霍尔位置传感器133无刷直流电动机霍尔位置传感器 霍尔位置传感器安装 霍尔霍尔转子安装转子安装 与无刷电机转子同轴安与无刷电机转子同轴安装，薄磁片与霍尔元件气隙装，薄磁片与霍尔元件气隙 1mm 左右，永磁左右，永磁体轴线与无刷电机转子主磁极轴线垂直。体轴线与无刷电机转子主磁极轴线垂直。 霍尔霍尔转子可直接利用无刷电机的主转子。转子可直接利用无刷电机的主转子。134无刷直流电动机霍尔位置传感

36、器S霍尔元件霍尔元件电磁转矩：电磁转矩：CYBZXASNnkBukCukAusinafTemFFKT霍尔磁片霍尔磁片135无刷直流电动机霍尔位置传感器 霍尔元件位置调校 在大批量生产情况下，可以采用严格在大批量生产情况下，可以采用严格控制主转子永磁体质量的控制主转子永磁体质量的一致性一致性和提高霍和提高霍尔元件的贴装精度的措施，从而省去霍尔尔元件的贴装精度的措施，从而省去霍尔元件位置调校工作，达到简化操作程序、元件位置调校工作，达到简化操作程序、降低制造成本的目的。降低制造成本的目的。136无刷直流电动机霍尔位置传感器60240300120PCPB1803 6 0PAttt转子位置检测波形转子

37、位置检测波形 137稀土永磁无刷直流电动机二、无刷电机原理 与特性Rare Earth Permanent Magnet Brushless DC Motor， BLDCM138无刷直流电动机原理与特性1. 有刷直流电动机原理2. 无刷电机运行原理3. 无刷电机基本关系4. 无刷电机基本特性139无刷直流电动机原理与特性1. 有刷直流电动机原理140定、转子磁场正交有刷直流电动机原理fem=Bliatem=femDa/2Tem=temk ( k=1toN ) CTIaea=BlvEa=eak ( k=1toN/2a ) =Cen直流电动机电磁转矩直流电动机电磁转矩NSTem, niafemfe

38、mfemfem141有刷直流电动机原理 直流电动机基本关系 电枢电动势电枢电动势：Ea= Cen 电磁转矩电磁转矩：Tem= CTIa 电压平衡方程式电压平衡方程式：U2UEa+ IaRa 转速特性转速特性：eaaCRIUUn2142有刷直流电动机原理1 1号线圈换向开始号线圈换向开始 1 1号线圈正在换向号线圈正在换向 1 1号线圈换向结束号线圈换向结束1 2 1 2 1 2K321 电刷静止电刷静止K321K321iaiaiaiaiaia2ia2ia2ia直流电动机的机械换向过程直流电动机的机械换向过程143有刷直流电动机原理 1 1号线圈正在换向号线圈正在换向 K321iaia2iaie

39、1 2i1i2iai直流电动机的机械换向过程直流电动机的机械换向过程144有刷直流电动机原理kreee换向元件中的电动势换向元件中的电动势reke电抗电动势电抗电动势旋转电动势旋转电动势145有刷直流电动机原理换向元件中的电流换向元件中的电流kLbbkaiiRReTtii21)21 (Liki直线换向电流直线换向电流附加换向电流附加换向电流146有刷直流电动机原理K321iaiai1 2iaiRb1Rb2K321iaiaRb换向过程电刷与换向器的接触电阻换向过程电刷与换向器的接触电阻147有刷直流电动机原理0.5 1 t/TkRb1+ Rb24Rb0换向元件回路串联的总电阻换向元件回路串联的总

40、电阻148有刷直流电动机原理t0ikTke 0e 0换向元件中的附加电流换向元件中的附加电流149有刷直流电动机原理直流电机的直线换向电流直流电机的直线换向电流Tk0tiTkTk/2-IaIa电流换向时刻换向周期（ms） 0e150有刷直流电动机原理直流电机的延迟换向电流直流电机的延迟换向电流t0iTk/2 tc-IaIaTkiLiK 0e151有刷直流电动机原理直流电机的延迟换向电流直流电机的延迟换向电流t0itc Tk/2-IaIaTkiLiK 0e152有刷直流电动机原理K321iaiai1 2iai左刷（后刷）边出现火花左刷（后刷）边出现火花直流电动机的延迟换向直流电动机的延迟换向15

41、3有刷直流电动机原理K321iaiai1 2iai右刷（前刷）边出现火花右刷（前刷）边出现火花直流电动机的超越换向直流电动机的超越换向154有刷直流电动机原理换向极换向极NSniaSkekererekBk顺着转子顺着转子旋转方向旋转方向看，换向看，换向极的极性极的极性应与主磁应与主磁极的极性极的极性相反。相反。主磁极主磁极换向极换向极Nk直流电动机换向极的装法直流电动机换向极的装法155有刷直流电动机原理直流电动机换向极的装法直流电动机换向极的装法SniaSkFaFkN换向极换向极156有刷直流电动机原理NSniaSkerekekerBk顺着转子顺着转子的旋转方的旋转方向看，换向看，换向极的极

42、向极的极性应与主性应与主磁极的极磁极的极性一致。性一致。直流发电机换向极的装法直流发电机换向极的装法Nk换向极换向极157有刷直流电动机原理NSnNSn直流电动机直流电动机 直流发电机直流发电机直流电机移动电刷位置改善换向直流电机移动电刷位置改善换向158无刷直流电动机原理与特性2. 无刷电机运行原理159无刷直流电动机运行原理 电机运行原理分析模型电机运行原理分析模型FfSCXBFaCYBZANSnidAa)b)定、转子磁场正交定、转子磁场正交CnNZBYAANSXnnc)160无刷直流电动机运行原理有刷直流电动机有刷直流电动机NSTem, nCnNZBYAANSXnnc)无刷直流电动机无刷

43、直流电动机定转子交换位置定转子交换位置161无刷直流电动机运行原理Y C X B Z A Y C原理分析模型展开图原理分析模型展开图SNnnSS N SSSN=90永磁磁极永磁磁极：磁状态角磁状态角定子绕组等效磁极定子绕组等效磁极162无刷直流电动机原理与特性3. 无刷电机基本关系163无刷直流电动机基本关系 电磁转矩CCBBAAemieieieTconstieieieCCBBAA 恒定转矩的产生条件164无刷直流电动机基本关系3600B, ea, iaiaB18015030eatNS1梯形波无刷直流电动机波形图梯形波无刷直流电动机波形图165无刷直流电动机基本关系三相电动势、电流波形图三相电

44、动势、电流波形图e, i003600iA18015030eAiB120240eBeCiCtttA 相B 相C 相166无刷直流电动机基本关系电动势波形(磁密波形)电流波形相电动势幅值电磁转矩转矩脉动系数不同波形的无刷直流电动机ettietitetitetitnkNPENm130nNPEm10nNPEm252nNPEm30mmemIET06. 1mmemIET632. 1mmemIET632. 1mmemIET35. 10T0T0T14. 0T167无刷直流电动机基本关系 EPS 无刷直流电动机的实测波形无刷直流电动机的实测波形相电动势霍尔位置信号168无刷直流电动机基本关系 EPS 无刷直流电

45、动机的实测波形无刷直流电动机的实测波形相电动势169无刷直流电动机基本关系 EPS 无刷直流电动机的实测波形无刷直流电动机的实测波形线电动势170无刷直流电动机基本关系电流仿真波形电流仿真波形 电流实测波形电流实测波形 EPS 无刷直流电动机的实测波形无刷直流电动机的实测波形171无刷直流电动机基本关系三相星形六状态三相星形三状态相电动势幅值平均电枢电流空 载 转 速平均电磁转矩nNPEim15nNPEim15amavREUUI222amavREUUI0025 . 7PNUUni0015PNUUniaviavINPT4aviavINPT2172无刷直流电动机基本关系uaucubiaibic R

46、a L-MRa L-MRa L-Meaebec无刷直流电动机的等效电路无刷直流电动机的等效电路173无刷直流电动机基本关系cbacbacbaaaacbaeeeiiipMLMLMLiiiRRRuuu000000000000 三相（无中线）无刷直流电动机的三相（无中线）无刷直流电动机的瞬态瞬态电压方程电压方程 ua、ub、uc定子相绕组电压； R定子相绕组电阻； ia、 ib、 ic定子相绕组电流； L定子相绕组电感； ea、eb、ec定子相绕组电动势； M两相绕组间的互感。174无刷直流电动机基本关系cbacbaaaacbacbaeeeiiiRRRuuuMLMLMLiiip00000010001

47、0001 三相（无中线）无刷直流电动机的状态方程三相（无中线）无刷直流电动机的状态方程175无刷直流电动机基本关系 无刷直流电动机动态特性由下列方程来描述无刷直流电动机动态特性由下列方程来描述dtdnGDTTIKTnKERIEUULemaTemeaaaa3752176无刷直流电动机基本关系emT)()(sUsUaR1)(sITK)(sTLsGD2375)(sn)(sEaeK无刷直流电动机的动态结构图无刷直流电动机的动态结构图177无刷直流电动机原理与特性4. 无刷电机基本特性178无刷直流电动机基本特性 不同转子结构的机械特性不同转子结构的机械特性emeTaeTKKRKUUn2 机械特性机械特

48、性：nTem0 1：普通直流电动机 2：径向式结构无刷电动机（电感较小） 3：切向式结构无刷电动机（电感较大）179无刷直流电动机基本特性1000400030002000246n/(rpm)Tem/(N.m)0 2 8 6 4246Tem/(N.m)Ia/(A)0机械特性转矩特性机械特性转矩特性一台稀土永磁无刷直流电动机（方波驱动）的实测特性一台稀土永磁无刷直流电动机（方波驱动）的实测特性180稀土永磁无刷直流电动机三、无刷电机控制Rare Earth Permanent Magnet Brushless DC Motor ， BLDCM181无刷直流电动机控制1. 无刷电机正反转2. 无刷电

49、机回馈制动3. 无刷电机起动与调速4. 无刷电机闭环控制182无刷直流电动机控制1. 无刷电机正反转183无刷直流电动机正反转1）无刷电机正向运行184无刷直流电动机正向运行CXSBFaCYBZAFf三相星形六磁状态三相星形六磁状态idNSnmax =120AA、B 相绕组通入直流电流相绕组通入直流电流 id 185无刷直流电动机正向运行CXSBFaCYBZAFfidNSnmin =60A电动机正转电动机正转 60 电角度电角度902minmaxav186无刷直流电动机正向运行SCYBZAFaFfXBCASNSnidA、C 相绕组通入直流电流相绕组通入直流电流 id 187无刷直流电动机正向运

50、行SCYBZAFaFfXBCASNSnid电动机正转电动机正转 60 电角度电角度188无刷直流电动机正向运行SCYBZXAFfFaCBANSnidB、C 相绕组通入直流电流相绕组通入直流电流 id 189无刷直流电动机正向运行SCYBZXAFfFaCBANSnid电动机正转电动机正转 60 电角度电角度190无刷直流电动机正向运行FfXBCYZABCAFaNSSnidB、A 相绕组通入直流电流相绕组通入直流电流 id 191无刷直流电动机正向运行FfXBCYZABCAFaNSSnid电动机正转电动机正转 60 电角度电角度192无刷直流电动机正向运行BCASidC、A 相绕组通入直流电流相绕

51、组通入直流电流 id FfXBCYZAFaNSn193无刷直流电动机正向运行BCASidFfXBCYZAFaNSn电动机正转电动机正转 60 电角度电角度194无刷直流电动机正向运行XBCAZFaFfYBCANSSnidC、B 相绕组通入直流电流相绕组通入直流电流 id 195无刷直流电动机正向运行XBCAZFaFfYBCANSSnid电动机正转电动机正转 60 电角度电角度196无刷直流电动机正向运行CXSBFaCYBZAFfidNSnAA、B 相绕组通入直流电流相绕组通入直流电流 id 197无刷直流电动机正向运行 逆变器功率管驱动信号逆变器功率管驱动信号 V3300180180V1V4V

52、61202406060360120240300360V2V6V5tttttt 三相电流波形三相电流波形 120240300180240360iCiBiAttt6060120300180360ABACBCBAACCBBA198无刷直流电动机正反转注：注：红色红色字体电压表示霍尔元件输出高电平信号；字体电压表示霍尔元件输出高电平信号；蓝色蓝色字体电压表示霍尔元件输出低电平信号。字体电压表示霍尔元件输出低电平信号。霍尔元件信号霍尔元件信号电机正转电机正转电机反转电机反转导通绕组导通绕组导通管子导通管子导通绕组导通绕组导通管子导通管子ukA ukB ukC A BV1 V6A CV1 V2ukA uk

53、B ukCA CV1 V2A BV1 V6ukA ukB ukCB CV3 V2C BV5 V6ukA uKB ukCB AV3 V4C AV5 V4ukA uKB ukCC AV5 V4B AV3 V4ukA uKB ukCC BV5 V6B CV3 V2199无刷直流电动机反向运行反向运行时的三相电流波形反向运行时的三相电流波形 120300180240360iBiAtt60180360240iCt60120300200无刷直流电动机正反转2）无刷电机反向运行201无刷直流电动机反向运行AFaSCYBZXFfNSnA 、C 相绕组通入直流电流相绕组通入直流电流 id CBidA202无刷直

54、流电动机反向运行电动机反转电动机反转 60 电角度电角度FfAFaSCYBZXNSnCBidA203无刷直流电动机反向运行FfAFaSCYBZNSnCBidAA 、B 相绕组通入直流电流相绕组通入直流电流 id 204无刷直流电动机反向运行AFaSCYBZNSnCBidA电动机反转电动机反转 60 电角度电角度Ff205无刷直流电动机控制2. 无刷电机回馈制动 206无刷直流电动机回馈制动正向制动时电磁转矩的方向正向制动时电磁转矩的方向正向电动运行正向电动运行 正向回馈制动正向回馈制动TemTem,nnTLTL207无刷直流电动机回馈制动 回馈制动原理 只要改变同一磁极下电枢电流的方向，就可改

55、只要改变同一磁极下电枢电流的方向，就可改变电动机电磁转矩的方向变电动机电磁转矩的方向（fem=Bl ia），产生制动性产生制动性质的转矩，电机进入正向制动（回馈发电）状态，质的转矩，电机进入正向制动（回馈发电）状态，将机械动能转换为电能消耗在直流环的电阻将机械动能转换为电能消耗在直流环的电阻Rh（或（或对电池充电）。对电池充电）。208无刷直流电动机回馈制动CBididBCAAA B B A改变同一磁极下电枢电流的方向改变同一磁极下电枢电流的方向209无刷直流电动机回馈制动 回馈制动方法 改变同一磁极下电枢电流的方向，只须把同改变同一磁极下电枢电流的方向，只须把同一桥臂上下两个功率管的导通时刻

56、互换即可。如一桥臂上下两个功率管的导通时刻互换即可。如正向电动时正向电动时V1导通的时刻由导通的时刻由V4来代替，来代替，V6导通的导通的时刻由时刻由V3来代替，电动机就会产生正向制动性质来代替，电动机就会产生正向制动性质的转矩。的转矩。210无刷直流电动机回馈制动CSBXFaCYBZAFfNSnid正向制动前电机处于正向电动状态正向制动前电机处于正向电动状态211无刷直流电动机回馈制动idBCASXFaCYBZAFfNSn正向制动时电枢磁动势改变方向正向制动时电枢磁动势改变方向212无刷直流电动机回馈制动正向电动状态正向电动状态 回馈制动回馈制动XFaCYBZAFfNSnXFaCYBZAFf

57、NSn213无刷直流电动机控制正向电动正向电动反向电动反向电动正向回馈运行正向回馈运行正向回馈过程正向回馈过程反向回馈反向回馈1 12 23 34 4Temn214无刷直流电动机控制 3. 无刷电机起动与调速215无刷直流电动机起动与调速 1） 无刷电机起动216 无刷直流电动机起动无刷直流电动机起动 同样，同样，无刷无刷直流电动机全压起动时起动直流电动机全压起动时起动电流也很大，这是主电路功率开关管和电机电流也很大，这是主电路功率开关管和电机所不允许的。所不允许的。 通常采用降压起动，以限制起动电流。通常采用降压起动，以限制起动电流。 217无刷直流电动机起动与调速 2） 无刷电机调速218

58、无刷直流电动机调速电动汽车要求的驱动电机机械特性电动汽车要求的驱动电机机械特性恒转矩调速恒转矩调速恒功率调速恒功率调速219无刷直流电动机调速调速方法 降压调速降压调速 弱磁调速弱磁调速220无刷直流电动机降压调速tuput电流调节器输出信号三角波发生器输出信号PWM 发生器输出信号PWM 信号产生原理信号产生原理uruc221无刷直流电动机弱磁调速调速方法 控制方法控制方法 结构方法结构方法222无刷直流电动机弱磁调速 控制方法 即改变逆变器开关元件的触发即改变逆变器开关元件的触发角，使定子电流的相位提前，产生一个去磁的电角，使定子电流的相位提前，产生一个去磁的电枢磁动势，削弱永磁磁场。枢磁

59、动势，削弱永磁磁场。 加弱磁线圈 即在电机定子铁芯中加入弱磁即在电机定子铁芯中加入弱磁线圈，通入直流电流，产生一个轴向附加磁场，线圈，通入直流电流，产生一个轴向附加磁场，根据电流方向不同，可以削弱（或增加）永磁磁根据电流方向不同，可以削弱（或增加）永磁磁场。场。223无刷直流电动机弱磁调速 控制方法224无刷直流电动机弱磁调速Fad =0，无去磁作用，无去磁作用FFa= FaqCYBZAFfNSn= 90225无刷直流电动机弱磁调速Fad 的最大去磁作用的最大去磁作用FaqFadFFaCYBZAFfNSn= 12090 120 226无刷直流电动机增磁调速Fad 的最大增磁作用的最大增磁作用F

60、adFFaqFaCYBZAFfNSn= 60227无刷直流电动机弱磁调速e, i003600iA1 8 015030eAiB150270eBeCiCttt电流超前电动势相位角电流超前电动势相位角228无刷直流电动机弱磁调速1200 1600 2000 2400 n/ (r min-1)Tem (N.m)204060801201401600=45=40=30=0不同相位角不同相位角时无刷电机机械特性时无刷电机机械特性229无刷直流电动机弱磁调速 增大电流超前角增大电流超前角可显著提高电动机的调速范围；可显著提高电动机的调速范围； 的增大意味着电动机直轴去磁电流的增大，直轴的增大意味着电动机直轴去